Un récent Lettres d'examen physique La publication présente une analyse approfondie des données de détecteur de microboone, en étudiant le surplus anormal d'événements de type neutrinon détectés par l'expérience miniboone précédente.
En 1990, l'expérience LSND (Détecteur de neutrinos liquide du scintillateur) a observé un signal anormal indiquant l'existence potentielle de neutrinos stériles – une quatrième espèce de neutrinos au-delà des trois saveurs établies (électron, muon et neutrinos tau).
Miniboone a été construit pour examiner cette anomalie en utilisant la même méthodologie du faisceau de neutrinos. Cependant, au lieu de résoudre le mystère, Miniboone a découvert sa propre anomalie.
« Miniboone a observé trop d'événements (électromagnétiques) qui ressemblaient à des neutrinos électroniques dans leur détecteur », a expliqué Chris Thorpe, associé de recherche à l'Université de Manchester et co-auteur de l'étude. Une cause possible de l'excès de miniboone est l'existence d'un nouveau type de neutrino, mais d'autres explications, telles que le fond malodrimé ou les particules de matière noire en décomposition, pourraient également être derrière l'anomalie. «
Comprendre la nature de l'anomalie est devenue l'objectif du microboone, le détecteur de nouvelle génération conçu spécifiquement pour étudier l'excès de miniboone. Cette nouvelle analyse représente le premier test complet à l'aide d'un ensemble de données complet de cinq ans de Microboone.
Améliorer l'expérience
L'expérience miniboone a utilisé un détecteur rempli d'huile minérale qui identifie l'activité électromagnétique à travers les émissions de lumière de Cherenkov, la lumière bleue caractéristique produite par les particules lorsque vous voyagez plus rapidement que la lumière ne peut traverser l'huile.
Cependant, la technologie avait une limitation critique: son incapacité à suivre précisément les particules individuelles ou à déterminer la particule source pour le signal électromagnétique.
« Ils n'ont pas pu distinguer un électron directement émis par l'interaction du neutrino de celui produit comme émission secondaire d'un photon initial », a expliqué Alexandra Trettin, associée de recherche à l'Université de Manchester et co-auteur.
Cette ambiguïté était critique car les oscillations des neutrinos, bien que bien documentées, se poursuivent trop progressivement pour tenir compte de l'excès observé, indiquant que l'anomalie pourrait provenir de particules de fond mal classées plutôt que d'une nouvelle physique.
Le microboone a été spécifiquement conçu pour lutter contre cette incertitude en utilisant la technologie de la chambre de projection du temps d'argon liquide qui atteint une résolution spatiale à l'échelle du millimètre pour la reconstruction de trajectoire des particules chargée et la détermination définitive des espèces de particules.
L'expérience microboone
Le microboone fonctionne dans le même faisceau de neutrinos de booster à Fermilab que MiniBoone, positionné à 470 mètres de la source de neutrinos. L'approche garantit l'étude du même faisceau de neutrinos anormal en utilisant des méthodes de détection significativement améliorées.
Au cœur de l'expérience se trouve une chambre de projection de temps d'argon liquide (LARTPC), une technologie qui fonctionne comme une caméra 3D sophistiquée pour les particules subatomiques. Les particules chargées produites par les interactions du noyau neutrino-argon ionisent l'argon liquide pendant leur passage à travers le milieu. Les champs électriques dérivent ces électrons d'ionisation vers des plans qui enregistrent leurs positions précises, créant des pistes détaillées qui révèlent le chemin, l'énergie et l'identité de chaque particule.
Cette dernière analyse marque la première utilisation de l'ensemble de données opérationnel complet de cinq ans de Microboone, correspondant à 1,11 × 1021 Protons sur cible, qui représente une augmentation de 70% par rapport aux études précédentes.
Les chercheurs se sont concentrés sur deux catégories d'événements complémentaires: les interactions produisant un électron sans pions, subdivisé par si des protons visibles étaient présents.
« Nous avons séparé des échantillons de données basés sur la présence de protons et effectué l'analyse sur les échantillons séparés et l'échantillon combiné, pour inclure toutes les topologies de signal possibles que le détecteur MiniBoone observé », a expliqué le fan GAO, un érudit postdoctoral à l'Université de Californie, Santa Barbara et un co-auteur de l'étude.
La séparation a été critique car si les protons étaient invisibles pour les miniboone en raison d'être trop lents pour produire des émissions de Cherenkov, le microboone pouvait les identifier avec précision.
Tester l'anomalie
Pour tester directement si l'excès de miniboone pourrait s'expliquer par les neutrinos électroniques, les chercheurs ont développé deux modèles empiriques qui traduisaient l'anomalie observée en prédictions pour ce que le microboone devrait voir.
Le premier modèle, utilisé dans les analyses précédentes, supposait que l'excès résulte d'une amélioration dépendante de l'énergie dans le flux de neutrino électronique. Cette approche a déplié les données miniboone en fonction de l'énergie des neutrinos.
Cependant, ce premier modèle avait un inconvénient important. Le modèle n'a pas réussi à reproduire avec précision les caractéristiques spécifiques des douches électromagnétiques que les miniboone ont réellement observées, en particulier leur énergie et leurs propriétés directionnelles.
L'équipe a développé un deuxième modèle plus sophistiqué qui s'est concentré sur les observables réels mesurés par les miniboone: l'énergie et l'angle des douches électromagnétiques.
Les résultats étaient sans ambiguïté.
Comparé aux deux modèles de signal, les données de microboone n'ont montré aucune preuve soutenant une interprétation de neutrino électronique de l'anomalie miniboone.
« Nous avons fait des prédictions avec et sans inclure le signal miniboone et les avons comparé à nos données », a déclaré Thorpe. « Nos données favorisent la prédiction qui n'inclut pas le signal miniboone, et notre analyse indique qu'il y a moins de 1% de chances qu'il s'agit d'un coup de chance statistique. »
L'exclusion était particulièrement forte pour le deuxième modèle de signal, qui a été exclu à un niveau de confiance supérieur à 99% sur plusieurs variables cinématiques. La signification statistique a atteint 2,9σ pour le premier modèle et jusqu'à 3,8σ pour le deuxième modèle – bien au-dessus du seuil généralement considéré comme significatif en physique des particules.
Questions sans réponse
Bien que cette analyse approfondie exclut de manière concluante l'explication principale de l'anomalie miniboone, l'excès lui-même reste inexpliqué, en maintenant le potentiel d'autres causes.
« L'anomalie elle-même reste une observation statistiquement très significative qui a besoin d'une explication, et de nombreuses autres hypothèses sont toujours sur la table », a déclaré Trettin.
Plusieurs explications alternatives restent à l'étude. Compte tenu de l'incapacité de Miniboone à séparer les signaux de photons et d'électrons, l'excès pourrait résulter de la production de photons plutôt que des électrons.
Le modèle au-delà de la physique exotique propose d'autres explications, notamment des neutrinos stériles avec des interactions anormales ou des particules de secteurs sombres hypothétiques.
« Certains autres processus de physique qui sont au-delà des connaissances actuels de physique des particules peuvent également provoquer cet excès. Tous ces différents types d'explications sont activement étudiés par Microboone et le nouveau programme de base fermilab court », a noté GAO.
Pour l'avenir, la courte ligne de base près du détecteur (SBND), positionné beaucoup plus près de la source de neutrinos, fournira beaucoup plus de données pour limiter davantage les incertitudes systématiques et tester les hypothèses restantes avec une précision encore plus grande.
Écrit pour vous par notre auteur Tejasri Gururaj, édité par Stephanie Baum, et vérifié et examiné par Robert Egan – cet article est le résultat d'un travail humain soigneux. Nous comptons sur des lecteurs comme vous pour garder le journalisme scientifique indépendant en vie. Si ce rapport vous importe, veuillez considérer un don (surtout mensuel). Vous obtiendrez un sans publicité compte comme un remerciement.
